1、畢業設計報告課題：氣動機械手PLC控制系統的設計系 部： 電氣工程系 專 業：機電一體化技術 班 級： 機電092 姓 名： XXX 學 號： XXXXXXX 指導老師： XXXX 20113目錄摘要3第一章 機械手的簡介411 概述412 機械手的組成413 機械手的應用414 機械手應用4第二章 機械手機械設計521 機械手總體結構設計522 機械手的工作原理623 機構模塊化設計724 手部結構設計8第三章 機械手機械控制設計1031 工作過程與控制要求1032 氣動驅動設計的簡述1133 PLC控制系統設計12結束語20謝辭21參考文獻22氣動機械手PLC控制系統的設計摘要:氣動技術具

2、有一系列顯著優點，在工業生產中得到越來越廣泛的應用，己成為自動化不可缺少的重要手段。進入 90 年代后，氣動技術更突破傳統死區，經歷著飛躍性進展。再者，沖壓自動化是解決沖壓生產成本及安全問題、提高沖壓生產企業效益的必然選擇，而沖壓機械手是沖壓自動化的重要組成部分。但是，目前沖壓機械手高昂的價格卻使國內眾多的中小沖壓企業望而卻步。PLC是以現代微處理器技術為核心的控制器，作為一種通用的工業控制器，其可靠性高、抗干擾能力強；PLC由于采用現代大規模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性，此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信

3、息；PLC采用光電隔離和濾波技術技術有效抑制外部干擾源對PLC的影響，此外PLC還可在強、通用性好；開發周期短，功耗小。本課題對現代工業的的發展具有很重要的意義。關鍵詞：意義，應用，原理，plc，機械手，氣動控制技術第一章 機械手的簡介11概述機械手首先是由美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出了第一臺機械手。機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，并用以按固定程序抓取、搬運。它可替代人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。12機械手的組成機械手主要由手部、運動機構和控制系統三大部分組成。手部是用來

4、抓持工件（或工具） 的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，成為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需要8個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般機械手有2到3個自由度。13機械手的應用機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可

5、分為點位控制和連續軌跡控制機械手等。14機械手應用機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。另外，機械手在鍛造工業中的應用不僅能進一步發展鍛造設備的生產能力，而且能改善熱、累等勞動條件。第二章 機械手機械設計21機械手總體結構設計按照機械手的不同運動形式，可分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節式。機械手的運動可以分為主運動和輔助運動。手臂和立柱的運動稱為主運動，因為其能改變被抓取工件在空間的位置。手腕和手指的運動稱

6、為輔助運動，因為手腕的運動只能改變被抓取工件的方位，而手指的開合不能改變工件的位置和方位，所以不計為自由度數，其它運動均計為自由度數。本文所針對的機械手需要實現兩個工位間的移料動作，手臂具有回轉、升降及伸縮運動，因此采用圓柱坐標式，相應的機械手具有二個自由度，即回轉自由度 (正轉和反轉)、升降自由度 x(上升和下降)。由于被抓取工件是水平抓取，然后水平放置，搬運過程中無需改變工件的姿勢，因此可以省略手腕模塊。根據工件外形(圓筒形工件)，夾持部分采用兩指手爪，具有一個開合運動(夾緊和放松)。圖 2-1-1 所示為機械手的運動示意圖。圖 2-1-1 機械手氣動系統圖機械手的機械系統由執行機構和驅動

7、系統組成。本設計項目中機械手的操作對象為小型工件，所需要的驅動力較小，同時沖壓模具可以實現工件的自對正，為簡化結構和降低成本，機械手各自由度均采用氣動驅動。驅動部分有回轉氣缸、升降氣缸和開合氣缸。22機械手的工作原理本機械手采用氣動驅動，使用的壓力為 06MPa。氣動驅動的主要優點是氣源方便，驅動系統具有緩沖作用、結構簡單、成本低、維修方便。本機械手具有一個旋轉運動自由度，兩個直線運動自由度和一個開合運動，用于將工件從源工作臺搬運到目標工作臺上，兩個工作臺高度不同，所在位置和機械手基座位置三點組成的位置組成一定角度，而且兩個工作臺與機械手基座的距離也不相同。機械手的全部運動由氣缸驅動，氣缸由電

8、磁閥控制，整個機械手在工作中能夠實現正轉/反轉、上升/下降、伸出/縮回、夾緊/放松功能。其回轉自由度是通過普通氣缸經過齒輪/齒條傳動將直線運動轉換為回轉運動實現的，由氣缸、齒輪/齒條、齒條導軌和回轉運動磁性限位開關配合完成，回轉工作行程為 0°180°(氣缸行程為 0125mm)；升降自由度和伸縮自由度直接由普通氣缸實現，皆由氣缸、氣缸運動導軌和磁性限位開關配合完成，其工作行程皆為0200mm；開合運動由開合氣缸實現，工作行程為 030mm，由于氣缸行程較小，無法安裝磁性限位開關，所以其開合運動的限位由氣缸端蓋實現，即開合氣缸滿行程工作。將機械手的原點(原始狀態)定為開始工

9、作位的反轉限位、上升限位、縮回限位及放松狀態。機械手為實現移料動作，需要以下幾個動作：(1) 豎直下降 機械手升降氣缸活塞縮回，氣缸下行至下降限位，使手部夾持機構(手爪)到達與源工作臺上的工件水平的位置。(2) 夾緊 機械手開合氣缸活塞伸出，手爪夾緊工件。(3) 豎直上升 機械手升降氣缸活塞伸出，氣缸上行至上升限位，將工件提起，同時使手爪及其所夾緊的工件到達稍微超越目標工作臺上平面的位置。(4) 正向回轉 機械手回轉氣缸活塞伸出，機械手正轉至正轉限位。(5) 手臂伸長 機械手伸縮氣缸活塞伸出至伸出限位，使手爪及其所夾緊的工件到達目標工作臺的正上方。(6) 放松 機械手開合氣缸活塞縮回，手爪放松

10、工件。(7) 手臂縮短 機械手伸縮氣缸活塞縮回至縮回限位。(8) 反向回轉 機械手回轉氣缸活塞縮回，機械手反轉至反轉限位。以上是機械手移料動作，完成之后，目標工作臺所在沖床進入沖壓過程。至此，機械手的一個完整動作循環就完成了。圖 2-2-2 所示為沖壓機械手的工作流程圖。縮回上升伸出正轉夾緊放松下降反轉圖 2-2-1 機械手工作流程圖23機構模塊化設計近幾十年來，產品更新速度越來越快，加之市場競爭日益激烈，許多企業被迫走上了多品種，中小批量的生產方式。因此，傳統的設計思想和制造方式已無法適應現代化社會多樣化、快節奏的要求。為適應這一轉變，各種新思想、新方法，例如成組技術、計算機輔助技術等應運而

11、生，模塊化思想也是其中之一。模塊化是用來描述公共單元的使用以便實現產品的各種變型，它的主要目標就是確定獨立的、標準化的或可改變的單元來滿足功能的變化。模塊化設計的理論基礎最初來自于 Suh 的獨立性公理：在好的設計中保持功能要求的獨立性。因此在可能的情況下，產品完成的每一個功能都應獨立于產品完成的所有其它功能，這個公理就要求尋找物理結構獨立性與功能獨立性之間的統一。在模塊化設計的早期主要根據兩個產品設計特征來定義模塊性：一是在物理結構與功能結構之間的相似性；二是極小化物理元件之間附加的相互作用。即模塊化產品或部件從功能結構中的功能元件向產品的物理元件有一對一的映射關系。要建立模塊庫，首先要將產

12、品劃分成若干模塊，劃分的一般原則為：(1) 盡量減少產品包含的模塊總數，簡化模塊自身的復雜程度，以免模塊組合時產生混亂；(2) 以有限的模塊數來獲得盡可能多的實用組合方案，以滿足用戶的需要；(3) 劃分中應使模塊具有一定的功能獨立性和結構完整性；(4) 要充分注意模塊間的結合要素，以便于結合和分離；(5) 要考慮模塊的劃分對產品的精度、剛度帶來的影響；(6) 模塊單元的劃分必須考慮經濟因素等。模塊式機械手是將一些通用部件，根據作業的要求，選擇必要的能完成預定機能的單元部件，以基座為基礎進行組合，配上與其相適應的控制部分，即成為能完成特殊要求的機械手。通過模塊選擇與組合以構成一定范圍內的不同功能

13、或同功能不同性能、不同規格的系列產品。并且在產品變化或臨時需要對機械手進行新的分配任務時，可以允許方便的改動或重新設計其新部件，能很快地投產，降低安裝和轉換工作的費用。氣動通用機械手按其功能分析可分為基座、立柱、手臂、手腕、手部模塊。其中手臂模塊和手部模塊是該機械手的基本模塊，并可以細分為不同功能的局部模塊。立柱模塊和手腕模塊為可選模塊，如機械手需要手臂的升降功能則可省略立柱模塊。各部分連接件和關節具備一定的互換性和繼承性，夾持式和吸附式手部模塊可以根據需要互換，根據各種實際情況需要還可以增加或減少功能模塊。24手部結構設計手部就是與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附

14、式手部。當被夾持工件是圓柱形狀時，一般使用夾持式手部；當被夾持工件是板料時，一般使用氣流負壓式吸盤。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手爪是與物件直接接觸的構件，常用的手爪運動形式有回轉型和平移型。回轉型手爪結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型手爪應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手爪夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手爪結構取決于被抓取物件的表面形狀被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的；手爪有外夾式和內撐式；指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手爪產生夾緊力來完成

15、夾放物件的任務。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式。本機械手加持對象為圓筒形工件，因此選用夾持式回轉型手部，具體的設計結構如圖 2-3 所示。圖 2-4-1 機械手手部結構示意圖第三章 機械手機械控制設計31工作過程與控制要求1)工作過程右旋左旋旋轉氣缸實驗機械手的結構如圖3-1所示。工作過程為:機械手的初始位置停在原點，按下起動按鈕后，機械手將依次完成下降夾緊上升右旋再下降放松再上升左旋8個動作。機械手的下降、上升、右旋左旋等動作的轉換，是由相應的限位開關來控制的，而夾緊、放松動作的轉換是由時間來控制的。機械手所圖3-1-1機械手工作時的動作示意圖有的動作

16、均由氣壓驅動，它的上升與下降、左旋與右旋等動作均由三位五通電磁換向閥控制，即當下降電磁線圈CY2-0通電時，機械手下降；下降電磁線圈CY2-0斷電時，機械手停止下降；只有當上升電磁線圈CY2-1通電時，機械手才上升。機械手的夾緊和放松用一個二位五通電磁換向閥來控制，線圈通電時夾緊，線圈斷電時放松。2)控制要求機械手的控制要求分為如下幾個方面:(1)手動工作方式利用按鈕對機械手每一動作單獨進行控制。譬如，按“下降”按鈕，機械手下降；按 “上升”按鈕，機械手上升。用手動操作可以使機械手置于原點位(機械手在最左邊和最上面，且夾緊裝置松開)，還便于維修時機械手的調整；(2)單步工作方式從原點開始，按照

17、自動工作循環的步序，每按一下起動按鈕，機械手完成一步的動作后自動停止；(3)單周期工作方式按下啟動按鈕，從原點開始，機械手按工序自動完成一個周期的動作，返回原點后停止；(4)連續工作方式按下啟動按鈕，機械手從原點開始按工序自動反復連續循環工作，直到按下停止按鈕，機械手自動停機。或者將工作方式選擇開關轉換到“單周期”工作方式，此時機械手在完成最后一個周期的工作后，返回原點自動停機。32氣動驅動設計的簡述機械手的氣動驅動系統是驅動執行機構運動的傳動裝置，主要實現機械手垂直升降、水平左右旋轉和手爪的夾緊動作。氣動原理如圖3-2所示。SQ4SQ3SQ2SQ11、2、3電磁換向閥與消聲器46單向節流閥7

18、夾緊氣缸8垂直升降氣缸與磁性行程開關9水平左右移動氣缸與磁性行程開關10氣源調節裝置與截止閥圖3-2-1氣動系統工作原理圖(1)垂直升降、水平左右旋轉運動部分電磁閥2的電磁線圈CY2-1通電，壓縮空氣經電磁換向閥2和節流閥5進入垂直升降氣缸8下缸體，機械手上升，氣缸8伸出到ST2位置，機械手上升停止，電磁閥2的電磁線圈CY2-0通電，壓縮空氣進入氣缸8上缸體，則機械手下降，氣缸8縮回到ST1位置，機械手下降停止；電磁閥1的電磁線圈CY1-1通電，壓縮空氣經電磁換向閥1和節流閥4進入水平左右移動氣缸9右缸體，機械手左旋，氣缸9縮回到ST4位置，機械手左旋停止，電磁閥1的電磁線圈CY1-0通電，壓

19、縮空氣進入氣缸9左缸體，則機械手右旋，氣缸9伸出到ST3位置，機械手右旋停止。(2)夾緊、松開運動部分機械手下降到左工作臺后，電磁換向閥3的電磁線圈CY3-1通電，壓縮空氣經電磁換向閥3和節流閥6進入夾緊氣缸7下缸體，機械手夾緊物體。當機械手按控制要求運動右工作臺后，電磁換向閥3的電磁線圈CY3-1斷電，壓縮空氣經進入夾緊氣缸7上缸體，夾緊氣缸7松開物體。33PLC控制系統設計1) PLC的選擇和I/O地址分配：表3-1-1 PLC輸入點及輸出點的分配表輸 入 信 號名 稱代 號輸入點編號啟動SB1X0下限SQ1X1上限SQ2X2右限SQ3X3左移SQ4X4檢測SAX5停止SB2X6手動SAX

20、7單步SAX10單周期SAX11連續SAX12下降SB3X13上升SB4X14右移SB5X15左移SB6X16夾緊SB7X17放松SB8X20原點SB9X21輸 出 信 號名 稱代 號輸入點編號下降電磁閥線圈CY2-0Y0夾緊電磁閥線圈CY3-1Y1上升電磁閥線圈CY2-1Y2右移電磁閥線圈CY1-0Y3左移電磁閥線圈CY1-1Y4原點指示燈HL1Y5機械手的工作狀態和操作的信息需要18個輸入端子。具體分配為:位置檢測信號有下限、上限、右限、左限位共4個行程開關，需要4個輸入端子；“無工件”檢測信號采用光電開關作檢測元件，需要1個輸入端子；“工作方式”選擇開關有手動、單步、單周期和連續4種工作

21、方式，需要4個輸入端子；手動操作時，需要有下降、上升、右移、左移、夾緊、放松、回原點7個按鈕，需要7個輸入端子；自動工作時，尚需啟動按鈕、停止按鈕，需占2個輸入端子。控制機械手的輸出信號需要6個輸出端子。具體分配為:機械手的下降、上升、右移、左移和夾緊5個電磁閥線圈，需要5個輸出點；機械手從原點開始工作，需要有1個原點指示燈，需用1個輸出點。因此需要6個輸出端子。根據控制要求及端子數，此處選用FX2N-48MR繼電器型PLC。FX2N-48MR PLC共有輸入24點，輸出24點，滿足控制所需端子數，分配PLC的I/O端子接線如圖3-3所示。SASQ1SQ2SQ3SQ4圖3-3-2機械手PLC控

22、制外部接線圖2)控制程序設計該機械手控制程序較復雜，運用模塊化設計思想，采用“化整為零”的方法，將機械手控制程序分為:公用程序、手動程序和自動程序，分別編出這些程序段后，再“積零為整”，用條件跳轉指令進行選擇，該控制程序運行效率高，可讀性好。機械手的主控制程序如圖3-3-3所示。系統運行時首先執行公用程序，而后當選擇手動工作方式(手動，單步)時，X007或者X010接通并跳至手動程序執行；當選擇自動工作方式(單周期、連續)時，X007、X010斷開，而X011或X012接通則跳至自動程序執行。工作方式選擇轉換開關采取機械互鎖，因而此程序中手動程序和自動程序可采用互以不互鎖。圖3-3-3主控制程

23、序(1)公用程序公用程序用于處理各種工作方式都要執行的任務，以及不同的工作方式之間相互切換的處理，公用程序如圖3-3-4所示。左限位開關X004、上限位開關X002的常開觸點和表示機械手夾緊的Y001的常閉觸點的串聯電路接通時，“原點條件”M5變為ON。當機械手處于原點狀態(M5為ON)，在開始執行用戶程序(M8001為ON)、系統處于手動狀態或自動回原點狀態(X007或I2 1為ON)時，初始步對應的S0將被置位，為進入單步、單周期和連續工作方式做好準備。如果此時M5為OFF狀態， S0將被復位，初始步為不活動步，即使按下啟動按鈕也不能進入步S20，系統不能在單步、單周期和連續工作方式下工作

24、。(2)手動程序手動程序分點動控制和單步控制兩部分。手動操作不需要按工序順序動作，按普通繼電器程序來設計，手動操作程序如圖3-3-5所示。手動按鈕X007、X013I2 1分別控制下降、上升、右旋、左旋、夾緊、放松和回原點各個動作。為了保證系統的安全運行設置了一些必要的連鎖。其中在左、右旋轉的梯形圖中加入了X002作為上限連鎖，因為機械手只有處于上限位置時，才允許左右旋轉。由于夾緊、放松動作是用二位五通電磁換向閥的CY3-1電磁線圈控制，故在梯形圖中用“置位”、“復位”指令，使之有保持功能。圖3-3-4公用程序圖3-3-5 手動操作程序圖圖3-3-6 自動控制程序圖(3)自動程序由于自動操作的

25、動作較復雜，采用順序功能圖設計法設計程序，用以表明動作的順序和轉換條件，矩形框表示“工步”，相鄰兩工步用線段連接，表明轉換的方向。橫線表示轉換的條件。若轉換條件得到滿足則程序從上一工步轉到下一工步。其順序功能圖(SFC)如圖3-3-6所示，根據順序功能圖可以方便地轉換為梯形圖程序。結束語對沖壓氣動機械手的結構設計、分析和控制的一些普遍性問題及方法進行了研究。并設計了用于沖壓機床上下料及移料的氣動機械手。在全面分析機械手功能的基礎上，著重進行了機械手機構設計、機械手抓取機構夾緊力的優化、氣動驅動系統設計和控制系統設計等幾個方面的研究工作。總結如下：(1) 從整體上對機械手的執行機構和驅動系統進行了設計，機械手結構具有模塊式的特點，每一個部件成為一個模塊，通過更換或調整伸縮氣缸、升降氣缸、手部結構及其連接件等，可適應不同類型